Kaltwassersätze (Teil 2)
Das 1 x 1 der Kältetechnik (Teil 7)
Kaltwassersätze sind in der Kältetechnik weit verbreitet. Die Besonderheiten dieser Systeme beschreibt Teil 7 unserer Serie „Das 1 x 1 der Kältetechnik“. Diese Serie basiert auf den kostenfreien eLearning-Modulen von Danfoss, die für das interaktive Selbststudium mittels PC konzipiert sind. Die eLearning-Module bieten jeder Zielgruppe, vom Anfänger bis zum Kälteexperten, ein adäquates Angebot (www.learning.danfoss.de). In diesem Teil wird besonderes Augenmerk auf die Komponenten gelegt, die in Kaltwassersätzen, aber nicht in einfachen Direktverdampfungssystemen der Kompressionskälte zu finden sind.
Kaltwassersatz – Direktverdampfung
Der Kälteanlagenbauer hat besonders in der Klimatechnik die Wahl zwischen Direktverdampfungs- und Kaltwassersystemen. Der normale Kaltwassersatz (KWS) für diesen Einsatz kühlt das Wasser, welches meist mit etwa 12 °C aus dem Wassersystem zurückkommt, auf 6-7 °C ab und speist es wieder in den Vorlauf ein. Natürlich sind auch tiefere Temperaturen durch den Zusatz von Glykol oder ähnlichen Stoffen zum Wasser oder durch die Verwendung von Solen möglich. Trotzdem sind 6/12-Kaltwassersätze die am meisten verbreiteten Anwendungen.
Ein Vorteil eines Kaltwassersatzes ist die vergleichsweise geringe Kältemittelfüllmenge. Gerade durch die immer restriktiveren Vorschriften hinsichtlich Kältemittelwahl, -füllmenge, -service und -besteuerung in Europa wird dieser Punkt in Zukunft sicher noch an Wichtigkeit zunehmen.
Des Weiteren können Montagearbeiten ab der Schnittstelle Wasservor- und -rücklauf des Kaltwassersatzes von Gas-Wasser-Firmen übernommen werden. Das kann für Kältefachfirmen ein Vor- oder ein Nachteil sein. Einfach gesagt, wäre ein Kaltwassersatzprojekt auch in Zeiten hohen Arbeitsaufkommens machbar. Diese Situation ist meist im Hochsommer gegeben. In Zeiten geringer Auslastung sind eventuell Multisplitsysteme oder andere Direktverdampfungsanlagen die bessere Lösung.
Auch für die Herausforderung langer Leitungswege kann ein Kaltwassersatz die Lösung sein. Praktisch jeder Kälteanlagenbauer steht regelmäßig vor der Entscheidung, ob die Leitungslänge bei bestimmten Projekten mit Direktverdampfung noch realisierbar ist. Falsche Entscheidungen können sich in der Folge durch Verdichterausfälle und massiven Ärger mit dem Kunden rächen. Werden diese Distanzen mit Wasserverrohrungen überbrückt, ist das Risiko entweder kaum existent oder zumindest leichter beherrschbar.
Auch die sehr aktuelle Kältemitteldiskussion und gewisse Unsicherheit, wie es in dieser Beziehung weitergeht, signalisiert jedem Praktiker, dass die Wahrscheinlichkeit eines Kältemittelwechsels in der Zukunft bei einer aktuell projektierten Anlage hoch ist. Bei Direktverdampfungssystemen ist dies machbar, kann aber diverse Umbauten auch an den Kühlstellen – zum Beispiel Expansionsventilwechsel – und weitere Maßnahmen nach sich ziehen. Bei einem Kaltwassersatz ist nur dieser selbst, nicht aber die Leitungen zu den Kaltwassertruhen oder -kassettengeräten betroffen. Damit ist eine Kältemittelumstellung örtlich zentral und mit weniger Aufwand realisierbar. Das bedeutet, die notwendigen Arbeiten lassen sich am Standort des Kaltwassersatzes – z.B. im Hof oder auf einem Flachdach – ausführen. Eine Öffnung von (abgehängten) Decken oder Doppelböden (etc.) entfällt bei einer Kältemittelumstellung gänzlich.
Ein Punkt, der nur bei Kaltwassersystemen – nicht aber bei Direktverdampfung – beachtet werden muss, ist der Frostschutz. Das bedeutet, dass zumindest der Teil der Anlage, der außerhalb eines Gebäudes verläuft, bzw. im Winter Temperaturen unter 0 °C ausgesetzt wird, besonders geschützt werden muss. So kann es notwendig sein, das Kaltwassersystem mit Frostschutzzusätzen gegen ein Auffrieren der Leitungen zu schützen, obwohl im (Sommer-) Betrieb nur minimal +6 °C gefahren werden.
Strömungswächter
Damit kommen wir zu einer Komponente, die in der Kaltwasserverrohrung von KWS zu finden ist, aber nicht in Direktverdampfungssystemen. Ein Strömungswächter (z.B. Typ „FQS“) sorgt dafür, dass im Betrieb des Kaltwassersystems keine Frostschäden auftreten. Er besteht aus einem mechanischen Paddel, welches bei Strömung im Wasserrohr in Flussrichtung bewegt wird. Diese Bewegung führt zu einer Betätigung eines potentialfreien Kontakts. In der Regel ist der Kontakt bei Strömung geschlossen und bei Stillstand der Kaltwasserpumpe offen. Über diesen Kontakt verriegelt man den KWS, um zu verhindern, dass die Kälteseite weiterläuft, obwohl die Kaltwasserseite keine Wärme mehr an das Kältesystem abgeben kann. Diese Situation entsteht, falls ein Pumpendefekt vorliegt. Ein solcher Defekt kann nur zuverlässig durch einen Strömungswächter entdeckt werden, da das Leistungsschütz der Pumpe bei einem Defekt der Pumpe noch angezogen sein kann. Somit würde man durch eine simple Verriegelung des KWS über das Schütz der Pumpe keine 100-%ige Sicherheit erreichen. Kombiniert wird der Frostschutz für den Betrieb eines KWS durch einen Frostschutzthermostaten in der Kaltwasserverrohrung direkt nach dem Verdampfer im Vorlauf. Die intensiven Vorkehrungen gegen Frostschäden erklären sich daraus, dass ein System, bei dem der Verdampfer (egal ob Platten-, Rohrbündel- oder Koaxialwärmeübertrager) „aufgefroren“ ist, massivste Schäden durch Wassereinbruch ins Kältesystem mit sich bringt. Diese Schäden können so massiv sein, dass der KWS ausgetauscht werden muss und nicht mehr repariert werden kann. Bei der Montage des Strömungswächters sollte man im Zweifel lieber ein etwas kürzeres Paddel wählen, damit es sich nicht im Rohr verklemmt und damit immer eine Strömung signalisiert. Die einwandfreie Funktion sollte durch Ein- und Ausschalten der Pumpe überprüft werden – Feinjustierungen, bei welcher Strömungsquantität das Gerät schaltet, lassen sich an der Einstellfeder vornehmen.
Plattenwärmeübertrager Kältemittel – Wasser
Eine weitere spezifische Komponente in Kaltwassersätzen ist der Verdampfer. Er nimmt aber nicht die Wärme aus der Luft auf, wie bei Direktverdampfungssystemen, sondern aus dem Wasser bzw. der Sole. In den letzten 20 Jahren haben Plattenwärmeübertrager immer mehr Marktanteile erobert. Je nach Anforderungen und Leistungsgrößen können aber auch andere Bauformen, wie beispielsweise Rohrbündel- oder Koaxialwärmeübertrager eingesetzt werden. Koaxialverdampfer sind speziell bei kleineren Leistungen verbreitet. Rohrbündelverdampfer sind sehr gutmütig in Bezug auf Regelung mittels Expansionsventil und können gut gereinigt werden, falls das Kaltwassersystem etwas problematisch hinsichtlich Verunreinigungen ist.
Die am meisten verbreitete Technologie bei Plattenwärmeübertragern sind Platten mit traditionellem Fischgrätenrelief. Die Vorteile dieser Technologie bestehen darin, dass sich die Platten leicht fertigen lassen und die Anwendung des Produkts allseits bekannt ist. Allerdings werden zunehmend höhere Effizienz und Nachhaltigkeit gefordert. Kompakt-Plattenwärmeübertrager (Micro Plate Heat Exchanger „MPHE“) sind die 2. und somit neueste Generation dieser Technologie. Die erheblich verbesserte Wärmeübertragung, der geringere Rohstoffverbrauch und die minimalen Füllvolumina schlagen sich in deutlichen ökonomischen und ökologischen Einsparungen nieder. Die wesentliche Ursache für die höhere Effizienz ist die Plattenkonstruktion mit besonderer Kanalgeometrie, die eine erheblich bessere Wärmeübertragung ermöglicht. So „umspült“ das Fluid förmlich die Lötstellen. Labortests zeigen, dass die Differenz zwischen den maximalen und minimalen Geschwindigkeiten in einem MPHE nur 1/3 der Differenz einer traditionellen Fischgrätplatte beträgt.
Damit erreichen Kompakt-Plattenwärmeübertrager ein optimales Gleichgewicht zwischen Verwirbelungen und Reibungsverlusten, was sich in einem höheren Wärmeübertragungskoeffizienten, einem besseren Wirkungsgrad und letztlich einer höheren Verdampfungstemperatur niederschlägt. Jedes Kelvin höhere Verdampfungstemperatur führt zu Energieeinsparungen und somit zu direkten Stromeinsparungen beim Betreiber.
Auch das Innenvolumen ist bei Kompakt-Plattenwärmeübertragern deutlich reduziert und minimiert somit die sowieso schon geringe Kältemittel-Füllmenge eines Kaltwassersatzes noch zusätzlich.
Fazit
Kaltwassersätze bieten dem Anlagenbauer zusätzliche Optionen und sind hinsichtlich zukünftiger Entwicklungen der Kältemittelwahl und Füllmengenbegrenzungen eine Alternative zu Direktverdampfungssystemen. Dies gilt in besonderem Maße für Anlagen im Klimabereich.
